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1 CÁLCULO DE ENLACE Contenido 1.- Configuración de un enlace satelital. 2.- Atenuación en el espacio libre. 3.- Contornos de PIRE. 4.- Tamaño de la antena parabólica. Última modificación: ió 22 de mayo de 2010 Tema 5 de: COMUNICACIÓN POR SATÉLITE Edison Coimbra G. 1

2 1.- Configuración de un enlace satelital Enlace de subida En la estación transmisora importa el amplificador de potencia HPA y la antena que radia la señal portadora amplificada. En el satélite, se consideran la antena receptora y el amplificador de bajo ruido LNA conectado después de ella. En el trayecto de subida, la portadora es atenuada por la: propagación en el espacio libre, absorción en la atmósfera, lluvia, despolarización, ió desalineación ió de los ejes de las antenas. Al descontar estas atenuaciones a la potencia original en el punto 1 y añadirle la ganancia de la antena receptora del satélite, quedará como una potencia C en el punto 2. Dentro de su BW, la portadora recibirá interferencias de RF y ruido. La potencia del ruido acumulado se designa como N y se referencia al punto 2, a la entrada del LNA. De esta manera se obtiene el la relación potencia a ruido (C/N) U en el punto 2. 2

3 En el transponder La portadora, junto con todo el ruido acumulado, se procesa en el interior del satélite, y antes de ser transmitida a Tierra, se amplifica con un HPA, que puede ser un tubo de onda viajera TWT o un amplificador de estado sólido SSPA. Si hay más de una portadora dentro del amplificador, se producirá ruido de intermodulación. A mayor potencia de salida, mayor ruido de intermodulación, por lo que, a bordo del satélite, se define la relación potencia de la portadora a ruido de intermodulación, (C/N) I. El valor de esta relación de potencias lo especifica, por medio de gráficas o tablas, el propio fabricante del satélite. 3

4 Enlace de bajada En el trayecto de bajada sucede lo mismo que en el de subida, sólo que a la inversa. Del punto 3 parte la portadora luego de ser amplificada por el HPA y la ganancia directiva de la antena del satélite. Conforme desciende, se atenúa por las mismas razones que en el enlace de subida, y al llegar a la estación receptora, después de ser amplificada por la antena, queda "algo" de potencia C inmediatamente antes de la entrada al LNA. También se introducirá ruido de diversas fuentes dentro del BW de la portadora, y se calcula la relación de potencias (C/N) D. La frecuencia de la portadora en el enlace descendente es diferente a la del ascendente, de modo que los niveles de atenuación y de ruido también son diferentes. 4

5 2.- Atenuación en el espacio libre Las pérdidas de potencia más grandes se deben a la enorme distancia entre el satélite y las estaciones terrenas. Aunque su valor exacto depende de la frecuencia, tales pérdidas son del orden de 200 db en subida y otros 200 db en bajada, para satélites GEO. A ésta disminución de potencia se le refiere como atenuación por propagación en el espacio libre,,y la ecuación que permite es la ecuación de transmisión de Friis. Si la antena transmisora no fuera directiva, sino isotrópica, la potencia P T se distribuiría de manera uniforme en un frente de onda esférico; a una distancia r desde la antena. La superficie esférica sobre la que dicha potencia estaría distribuida tendría un área igual a 4 r 2, y por cada unidad de superficie habría una cierta densidad de flujo de potencia, S i. 5

6 Directividad Sin embargo, la antena transmisora no es isotrópica, i sino directiva, con una ganancia G T, máxima en la dirección hacia el satélite. Esta ganancia "amplifica" la densidad de potencia. PIRE Al producto P T G T. se le designa como potencia radiada isotrópica efectiva PIRE (o EIRP), cuyos valores se dan en dbw. Ejemplo 1.- Una estación terrena transmisora tiene un HPA con salida nominal en saturación de 10 W,,que son entregados a una antena parabólica cuya ganancia máxima es de 45 dbi. Diga cuánto vale el PIRE máximo de dicha estación terrena en db. Respuesta.- 55 dbw. 6

7 Área efectiva de absorción Si frente a la onda viajera cuya densidad de potencia está dada por S, se coloca una antena con un área efectiva o equivalente de A eq, la potencia capturada P R por dicha antena sería: La teoría electromagnética demuestra que: De acuerdo al principio de reciprocidad la G de la antena en recepción es la misma que en transmisión. Sustituyendo, se obtiene la potencia interceptada de la seña portadora. (P ) R Utilizando P r = C, y la expresión de PIRE. [W] En la ecuación resultante, el PIRE es la potencia efectiva radiada y G R es la amplificación adicional que la antena receptora le da. El 3er. factor es una cantidad <<1, pues es del orden de cm y r de miles de km. El inverso de este término, es la atenuación debida a propagación en el espacio libre (L fs ). La ecuación se expresa en decibeles. Este razonamiento se aplica a ambos enlaces, donde los papeles de emisor y receptor se intercambian entre el satélite y la estación terrena. 7

8 Ejemplos de atenuación en el espacio libre Ejemplo 2.- Calcule la atenuación por propagación en el espacio libre (L fs ) de una señal portadora a 4, 6, 12, 14, 20 y 30 GHz, para el caso de una constelación de satélites GEO. Respuesta.- Ejemplo 3.- Suponga que la portadora de una estación terrena que tiene un PIRE de 55 dbw llega aun satélite situado a 36,000 km de distancia, que tiene una antena receptora con ganancia de 40 dbi en la dirección desde donde proviene la señal. Si la frecuencia de transmisión es de 14 GHz. Calcule la potencia de dicha portadora después de pasar por la antena receptora. Respuesta.- El PIRE es 55 dbw y la atenuación es de db. Por lo tanto, C = dbw = 7,079 pw. 8

9 2.- Contornos de PIRE Es una huella de potencia que indica la potencia con que un satélite emite hacia esa zona en concreto. Se denomina contorno PIRE (dbw). Con este dato, se calcula el tamaño de la antena receptora adecuada a cada lugar de recepción. El PIRE máximo se dirige al punto central; es la trayectoria de máxima potencia de la antena del satélite. Alrededor de ésta hay varios contornos de PIRE constantes, y el valor de éste va disminuyendo conforme abarca mayor área. Los satélites más poderosos radian un PIRE del orden de 60 dbw, pero también hay otros con menor PIRE, según las necesidades del dueño y los servicios que desee prestar. Una diferencia de 17 dbw o de 20 dbw con relación a un satélite inferior equivale a radiar con una intensidad de potencia 50 ó 100 veces mayor, respectivamente. 9

10 Huella múltiples Algunos sistemas sofisticados utilizan antenas múltiples en sólo un reflector. Esta alimentación ió múltiple l permite que se reciban o se radien señales en diferentes frecuencias con una sola estructura reflectora grande. Son los arrays de aperturas. 10

11 Huella con arrays de apertura descentrados 11

12 4.- Tamaño de la antena parabólica Con el PIRE se calcula la ganancia de la antena parabólica de la estación terrena y luego el diámetro del plato, el cual es inversamente proporcional al PIRE. G Ganancia de la antena. d diámetro del plato, en m. longitud de onda, en m. Mientras más alto es el PIRE más pequeña es la antena, debido a que la huella del satélite está dirigida directamente hacia ese punto, y con un tamaño como ese, es matemáticamente suficiente para recibir la señal fuerte. 12

13 Contorno PIRE - Ejemplo Ejemplo 4.- A partir de los contornos de PIRE, obtenga el valor que debe ser usado para calcular l un enlace descendente d en la banda C desde d el satélite Satmex 5, hacia estaciones terrenas que estén en la ciudad de Santa Cruz de la Sierra. Respuesta.- 39 dbw. Ejemplo 5.- A partir de los contornos de PIRE, obtenga el valor que debe ser usado para calcular l un enlace descendente en la banda C desde el satélite Nahuelsat, hacia estaciones terrenas que estén en la ciudad de Santa Cruz de la Sierra, y calcule las dimensiones de la antena parabólica. Respuesta.- 43 dbw y 0.8 m. FIN Contorno de PIRE en banda C del satélite Nahuelsat Zona 3 13